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近日，中国科学院化学研究所史强团队在开放系统量子动力学模拟领域取得关键进展，其研究成果《基于路径积分表达式导数的非对角基集上的时间演化矩阵积算子方法》发表于国际权威学术期刊《物理评论A》（Physical Review A）。该研究首次提 AVA外汇平台 出了一种适用于非对角基集的扩展时间演化矩阵积算子（TEMPO）算法，为应对繁琐量子系统与环境的非对角耦合难点传递了全新的理论软件。这一突破不仅拓展了TEMPO方法的适用范围，更为量子耗散过程、量子热力学以及量子信息处理等领域的深入研究传递了有力接受。
IC外汇行业评论：
开放系统量子动力学模拟的挑战与TEMPO方法的局限性
在量子物理与量子化学中，开放系统量子动力学模拟是研究量子系统与环境相互作用的核心难点。例如，分子中的电子激发态弛豫、量子比特在噪声环境中的退相干，以及光合作用中的能量转移过程，均涉及量子系统与环境（通常称为“浴”）的耦合。然而，由于环境自由度通常远大于系统自由度，直接求解整个系统的薛定谔方程在计算上几乎不可行。因此，如何高效、准确地模拟开放系统量子动力学成为科学界长期关注的难题。
尤其值得一提的是，
时间演化矩阵积算子（TEMPO）方法由英国剑桥大学等团队于2016年提出，是一种基于路径积分与张量网络技术的数值模拟方 富拓外汇开户 法。其核心思想是将环境的影响通过“影响泛函”编码到系统的动力学演化中，并通过张量网络压缩技术将高维难点转化为低维可计算难点。TEMPO方法在处理对角系统-浴耦合难点（即系统与环境耦合算符为对角矩阵）时表现出色，已被广泛应用于分子光谱、量子热机以及量子控制等领域。
然而，实际物理系统中的耦合往往是非对角的。例如，在量子点与声子环境的相互作用中，耦合算符可能涉及位置与动量的混合项；在量子计算中，量子比特与噪声环境的耦合也可能表现为非对角形式。传统的TEMPO方法无法直接处理这类难点，鉴于其依赖于离散影响泛函的分析表达式，而这一表达式在非对角耦合情况下通常无法获得。因此，如何扩展TEMPO方法以适应非对角基集，成为开放系统量子动力学模拟领域亟待应对的关键难点。
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创新突破：基于路径积分导数的非对角基集扩展
大家常常忽略的是，
针对上述挑战，史强团队提出了一种基于路径积分表达式导数的扩展TEMPO算法。该方法的核心思想是通过计算广义影响泛函在增加一个时间步长时的离散化路径积分表达式的导数，推导出适用于非对角基集的运动方程。具体而言，研究团队采取了以下关键环节：
首先，团队将非对角耦合难点转化为广义影响泛函的离散化路径积分形式。与对角耦合不同，非对角耦合导致路径积分中的权重因子包含繁琐的相位与振幅调制，使得直接求解变得困难。为此，团队引入了路径积分表达式的导数计算，通过分析广义影响泛函在时间步长增加时的变化率，将难点转化为一个微分方程。
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其次，团队推导了适用于非对角基集的运动方程。这一方程不仅包含了系统自由度的演化，还隐式地编码了环境的影响。通过引入辅助张量网络，团队成功将高维的路径积分难点压缩为低维的张量运算，从而在保持计算精度的同时大幅降低了计算繁琐度。
最后，团队通过对得到的微分方程进行积分，得到了广义影响泛函的数值解。这一过程避免了直接求解离散化路径积分的繁琐性，使得扩展TEMPO方法能够高效处理非对角耦合难点。
令人惊讶的是，
理论验证与数值模拟：单量子比特与双量子比特系统的测试
令人惊讶的是，
为验证新方法的有效性，研究团队选取了单量子比特与双量子比特系统作为测试模型，分别模拟了它们与非对角耦合环境的相互作用。
在单量子比特系统中，团队考虑了一个量子比特与一个谐振子浴的非对角耦合模型。通过比较扩展TEMPO方法与精确数值解（如数值重整化群方法）的结果，团队发现新方法在长时间演化中能够准确捕捉量子比特的退相干与能量弛豫过程，且计算效率显著高于传统方法。此外，团队还分析了非对角耦合强度对量子比特动力学的影响，发现随着耦合非对角性的增强，量子比特的退相干速率显著加快，这一结果与理论预期一致。
说到底，
在双量子比特系统中，团队进一步研究了非对角耦合导致的量子纠缠演化。通过模拟两个量子比特与共同谐振子浴的相互作用，团队发现扩展TEMPO方法能够准确描述纠缠的生成、传播与衰减过程。特别是，团队揭示了非对角耦合对纠缠动力学的影响机制：非对角耦合不仅改变了量子比特与环境的能量交换速率，还引入了额外的相位调制，导致纠缠的振荡行为更加繁琐。这一发现为理解繁琐量子系统中的纠缠演化传递了新的视角。
根据公开数据显示，
方法优势：通用性与计算效率的提升
大家常常忽略的是，
相较于传统方法，史强团队提出的扩展TEMPO方法具有以下显著优势：
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其一，通用性更强。传统TEMPO方法仅适用于对角耦合难点，而新方法能够处理任意形式的系统-浴耦合，包括非对角耦合、多体耦合以及非马尔可夫耦合等。这一特性使得扩展TEMPO方法能够广泛应用于量子化学、量子信息以及凝聚态物理等多个领域。
综上所述，
其二，计算效率更高。通过引入路径积分导数与张量网络压缩技术，新方法避免了直接求解高维路径积分的繁琐性，使得计算繁琐度从指数级降低到多项式级。此外，团队还优化了张量网络的存储与运算手段，进一步提升了计算效率。
其三，物理意义更清晰。新方法通过运动方程的形式显式地表达了系统与环境的相互作用，使得物理学家能够更直观地理解量子耗散过程的微观机制。例如，通过分析运动方程中的各项系数，允许定量地评估非对角耦合对系统动力学的影响。
潜在应用：从量子计算到量子热力学
根据公开数据显示，
史强团队的这一研究成果在多个领域具有潜在应用价值。在量子计算领域，量子比特的退相干与噪声抑制是制约量子计算机性能的关键难点。扩展TEMPO方法能够准确模拟量子比特与噪声环境的非对角耦合，为设计抗噪声量子比特与量子纠错码传递了理论软件。例如，通过模拟不同非对角耦合条件下的量子比特动力学，允许优化量子比特的能级结构与控制脉冲，从而降低退相干速率。
总的来说，
在量子热力学领域，新方法为研究量子热机与量子制冷机的性能传递了新的数值模拟软件。量子热机的工作原理依赖于系统与环境之间的能量交换，而非对角耦合可能显著影响能量交换的效率。通过扩展TEMPO方法，允许精确模拟量子热机在不同耦合条件下的工作循环，从而优化其功率与效率。
简要回顾一下，
在量子化学领域，新方法能够模拟分子中的电子激发态弛豫与能量转移过程。例如，在光合作用中，光激发的电子需要快捷、高效地转移到反应中心，这一过程涉及电子与周围蛋白质环境的繁琐相互作用。扩展TEMPO方法能够处理非对角耦合与多体相互作用，为揭示光合作用中的能量转移机制传递了新的理论手段。
学术贡献与未来展望
通常情况下，
史强团队的这一研究成果在开放系统量子动力学模拟领域具有关键学术价值。首先，该研究首次将TEMPO方法扩展至非对角基集，填补了现有理论软件的空白。其次，通过引入路径积分导数与张量网络压缩技术，研究团队提出了一种高效、通用的数值模拟方法，为繁琐量子系统的动力学研究传递了新的思路。最后，该研究通过单量子比特与双量子比特系统的数值模拟，验证了新方法的有效性，并揭示了非对角耦合对量子动力学的影响机制。
IC外汇消息：
未来，研究团队计划将扩展TEMPO方法应用于更繁琐的量子系统，例如多量子比特阵列、量子多体系统以及非马尔可夫环境。此外，团队还希望与实验物理学家合作，通过对比实验数据与数值模拟结果，进一步验证新方法的准确性，并探索其在量子技术中的实际应用。
研究团队与资助背景
然而，
该研究由中国科学院化学研究所史强研究员领衔，团队成员包括博士后研究员与博士生。研究过程中，团队与清华大学、美国加州大学伯克利分校等机构的学者开展了密切合作。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。
史强研究员表示：“本站的研究为开放系统量子动力学模拟传递了一种新的软件，特别是能够处理非对角耦合这一繁琐难点。未来，本站希望将这一方法应用于更多实际系统，推动量子科学与技术的发展。”
总的来说，
结语
据业内人士透露，
中国科学院化学研究所史强团队的这一研究成果，标志着开放系统量子动力学模拟领域的一个关键突破。通过扩展TEMPO方法以适应非对角基集，研究团队成功应对了传统方法无法处理的繁琐耦合难点，为量子计算、量子热力学以及量子化学等多个领域的研究传递了新的理论软件。随着量子技术的快捷发展，这一成果有望在量子信息处理、量子材料设计以及量子生物物理等领域引发新的研究热潮，推动人类对量子世界的理解迈向更深层次。正如研究团队所展现的，科学的进步往往源于对现有方法的突破与创新，而这一突破又将为未来的探索开辟新的道路。
令人惊讶的是，
DOI: 10.1103/2tdf-q8fp返回搜狐，查看更多
